大采高工作面復(fù)用巷道注漿加固工藝研究

樊建明

(山西離柳焦煤集團 朱家店煤礦， 山西 呂梁 033400)

隨著大采高工作面回采技術(shù)的不斷發(fā)展，“三進兩回”以及“兩進一回”的巷道布置方式已成為主要的通風(fēng)布置方式。一個工作面開采完畢之后，相鄰兩條巷道垮落與采空區(qū)相連，其余巷道可以繼續(xù)為下一個工作面服務(wù)，有效地避免了孤島工作面的形成[1]. 但復(fù)用巷道在首次服務(wù)時，由于受到采動影響，形成了圍巖松動圈，并在采動應(yīng)力影響下頂?shù)装迮c兩幫發(fā)生較大位移，復(fù)用巷道的這種嚴(yán)重變形已經(jīng)難以繼續(xù)為正常回采提供服務(wù)。因此，必須對其采取有效的主動支護手段，即采用注漿二次支護的形式對巷道進行加固，通過改善圍巖的力學(xué)特性，減小塑性區(qū)的范圍，提高圍巖的支承強度[2].

1 工程背景

成莊煤礦5310工作面為一次采全高工作面，采用走向長臂綜合機械化采煤法進行開采，采高為5.75 m，開采煤層傾角在2°～12°. 煤層頂?shù)装鍘r性分別為：直接頂為0.85 m的頁巖與0.13 m的煤；基本頂為7.11 m的粉砂巖；直接底為0.8 m的泥巖；基本底為2.93 m的粉砂巖。工作面通風(fēng)方式為“三進兩回”式，布置方式見圖1.

圖1 5310工作面巷道布置示意圖

本文研究對象為53101復(fù)用巷，該巷道為矩形斷面巷，巷道尺寸為寬5 m×高4 m. 首次服務(wù)采用錨網(wǎng)錨索聯(lián)合支護，頂板錨桿采用長2.4 m，間排距為1 000 mm×1 050 mm的布置方式；頂板錨索采用長7.4 m，間排距為1 900 mm×2 000 mm的布置方式。兩幫錨桿采用長2.4 m，間排距為1 000 mm×1 000 mm的布置方式；兩幫錨索采用長5.4 m，間排距為1 000 mm×2 000 mm的布置方式。

2 53101巷道變形特征

為探明53101巷的圍巖塑性破壞范圍，對該巷道采用“十字布點法”布置監(jiān)測點，測量距離工作面50～500 m圍巖的變形速度，見圖2.

圖2 巷道頂板與底板的變形速度曲線圖

由圖2可知，巷道塑性區(qū)由近到遠可分為5個區(qū)域，分別是：

1) 超前應(yīng)力影響區(qū)。該區(qū)域位于工作面前方，距工作面大約50 m的圍巖內(nèi)，且在距工作面10 m附近發(fā)生較大的變形，冒頂與片幫程度較為嚴(yán)重。

2) 初始變形區(qū)。該區(qū)域位于工作面后方，距工作面大約50 m的圍巖內(nèi)，該區(qū)域的圍巖頂板破碎較嚴(yán)重，且底鼓較明顯，平均底鼓速度為26 mm/d.

3) 加劇變形區(qū)。此區(qū)域位于工作面后方，與初始變形區(qū)相連，距工作面50～300 m. 頂板破碎嚴(yán)重，且發(fā)生了較明顯的下沉現(xiàn)象，移近速度為40～188 mm/d，平均移近速度為80 mm/d，底鼓量約為1.3 m，頂板下沉量約為0.3 m.

4) 應(yīng)力降低區(qū)。此區(qū)域位于工作面后方300～400 m處，且應(yīng)力作用效果明顯減弱，巷道變形量逐漸降低，頂板移近量速度為2.3～50 mm/d，平均移近速度為24 mm/d.

5) 應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)。此區(qū)域為應(yīng)力降低區(qū)后方的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)頂?shù)装宓V壓顯現(xiàn)程度幾乎為零，頂?shù)装逡平繋缀鯙榱恪?/p>

分析可知，復(fù)用巷道在采煤工作面后方300 m范圍內(nèi)變形量較大，其中工作面后方150 m內(nèi)變形量最為顯著，已經(jīng)大大超過巷道容許的變形量。因此，必須對該范圍的巷道進行加固支護。雖然巷道圍巖具有一定的自承載能力，但復(fù)用巷道經(jīng)受一次采動的影響后，其圍巖已較為破碎松散，強度已經(jīng)惡化，并且圍巖破碎范圍較大，如果繼續(xù)采用錨桿支護則較難找到完整性較好、強度較高的錨固位置，且錨桿施工時難以保證有效的錨固強度[3]. 所以，針對這類松散破碎圍巖，應(yīng)該考慮使用注漿加固的方式修補其完整性、恢復(fù)其強度，達到提升圍巖自承能力的目的。同時，考慮復(fù)用巷道還要抵抗二次采動帶來的采動應(yīng)力，因此，需要采用高性能的新型注漿材料提高支護強度，并選取合理的注漿工藝、注漿支護形式以及注漿時機使巷道滿足二次回采的需求[4].

3 新型無機注漿材料

目前，在礦井注漿支護中通常以普通硅酸鹽水泥為主。這種注漿材料雖然具有較高的支護強度，但是不滿足巷道支護的及時性，強度的增長速度不能滿足巷道變形破壞的需求。因此，需要采用凝結(jié)速度快、初期強度高、固結(jié)性良好的新型無機注漿材料配置漿液，這種注漿材料能在一天之內(nèi)達到8 MPa的單軸抗壓強度，完全滿足了巷道穩(wěn)定性的基本條件，且黏結(jié)性較高，固結(jié)效果較好，對巷道弱支護區(qū)進行補強時可在注漿加固后的1～2天內(nèi)實施，不會延誤巷道的最佳支護期[5].

該次新型無機注漿材料采用A、B料雙液注漿。因為A、B料性質(zhì)穩(wěn)定，雙液混合后可迅速凝固，體積不收縮，結(jié)石率達百分之百，同時漿液黏度低、流動性好，可在外力作用下滲透至圍巖細(xì)小裂縫中，故現(xiàn)場廣泛使用。將A、B料分兩組攪拌桶內(nèi)均勻攪拌，水灰比為0.8∶1，單液攪拌時不會發(fā)生凝結(jié)，混合之后的初凝時間為8～15 min，終凝時間為20～30 min. 經(jīng)實驗室單軸抗壓強度測試，配置漿液混合后的早期結(jié)石體強度可達到12 MPa，7天齡強度達到17.5 MPa，見圖3，滿足支護需求。

圖3 單軸抗壓強度增長曲線圖

4 工業(yè)試驗

通過對圍巖的協(xié)調(diào)支護理論分析，結(jié)合5310大采高工作面的5組塑性區(qū)的分布特征，制定了二次注漿支護方案。該方案需要結(jié)合圍巖的變形特征以及注漿支護時間與工藝之間的相互聯(lián)系設(shè)計。主要包括以下幾個方面：

1) 圍巖的變形規(guī)律與注漿支護時機要相協(xié)調(diào)。當(dāng)圍巖裂隙不發(fā)育時，未形成有效的漿液通道，漿液無法進行有效擴散；而當(dāng)圍巖破碎較為嚴(yán)重時，所需注漿量又急劇增大，且此時巷道原有的支護體已經(jīng)基本失效，圍巖強度整體上已經(jīng)完全喪失[6]. 因此，注漿的時機應(yīng)當(dāng)選在超前應(yīng)力影響區(qū)和初始變形區(qū)之間進行一次注漿支護，即距離工作面10～50 m，對此區(qū)域加固能夠有效削弱圍巖受采動影響造成的應(yīng)力破壞。當(dāng)巷道礦壓顯現(xiàn)完成之后，巷道仍舊存在破壞變形，此時對工作面50～300 m的區(qū)域進行二次注漿加固，提高巷道復(fù)用強度，為下一工作面服務(wù)。

2) 選取注漿工藝時，還應(yīng)當(dāng)考慮到圍巖發(fā)生首次破壞時，破碎范圍并不大，且深度較小，應(yīng)當(dāng)選取淺孔注漿工藝；而當(dāng)圍巖發(fā)生劇烈破壞之后，深部圍巖中裂隙較為發(fā)育，此時二次注漿工藝應(yīng)當(dāng)選取深孔注漿。

3) 采用合理的注漿工藝加固之后，為提高巷道的支護效果，應(yīng)當(dāng)采用錨桿(索)進行補強。

根據(jù)上述分析對一次注漿與二次注漿方案進行設(shè)計，鉆孔布置示意圖見圖4.

圖4 復(fù)用巷道注漿孔布置示意圖

一次注漿加固鉆孔布置參數(shù)：鉆孔深度為4 m，孔徑為42 mm；上排孔向上傾斜10°布置，且與頂板相距 1 m；下排孔垂直于巷幫布置，且與底板相距1.5 m. 此外，注漿加固后，對支護強度較弱、變形量較大的區(qū)域進行局部補強，在原先的相鄰錨索之間加打一根錨索。

二次注漿加固鉆孔布置參數(shù)：鉆孔深度為8 mm，孔徑為42 mm；上下兩排鉆孔平行布置，皆垂直于巷道兩幫。同樣，注漿加固之后需要對弱支護區(qū)與變形量較大的區(qū)域進行錨索補強[7].

5 注漿效果檢驗

為對比采用二次注漿方案前后圍巖的變形狀況，對注漿之后的圍巖再次進行布點監(jiān)測，結(jié)果見圖5，6.

圖5 一次注漿加固后圍巖變形量曲線圖

圖6 二次注漿加固后圍巖變形量曲線圖

從監(jiān)測結(jié)果來看：對巷道進行一次注漿加固后，頂板與兩幫的破碎程度得到了明顯改善，且工作面前后40 m范圍內(nèi)的頂?shù)装逡平靠刂圃?0～150 mm，兩幫移近量控制在50～100 mm，并且大幅度降低了底鼓范圍與底鼓量；采用二次注漿加固之后，頂板下沉量控制在60 mm，兩幫移近量控制在了302 mm，平均底鼓量為322 mm. 通過該巷道的巷道變形量統(tǒng)計結(jié)果來看，復(fù)用巷道的變形量減小了將近50%，且變形量在允許變形范圍之間，有效提高了巷道的穩(wěn)定性，且強度能夠滿足二次采動的影響。

6 結(jié) 論

1) 通過實測得到巷道圍巖塑形破壞區(qū)的空間分布特征，按工作面前后可以分為：超前應(yīng)力影響區(qū)、初始變形區(qū)、加劇變形區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)5個區(qū)域，為注漿加固區(qū)段的選擇提供依據(jù)。

2) 選擇新型無機注漿液作為加固圍巖的材料，通過試驗確定注漿的最佳水灰比為0.8∶1，并對漿液結(jié)實體強度進行檢測，發(fā)現(xiàn)其早期固結(jié)強度可達12 MPa，滿足圍巖支護要求。

3) 設(shè)計了二次注漿支護方案，對一次與二次注漿孔參數(shù)進行設(shè)計，并提出注漿與補強相結(jié)合的圍巖加固方案，結(jié)果表明實施該方案后巷道變形量減小了將近50%，體現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，滿足了復(fù)用巷道的開采需求。